Atomitalouslaskuri - Kemiallisen reaktion tehokkuus

Mikä on atomitaloudellisuuden laskin?

Atomitaloudellisuuden laskin selvittää, kuinka suuri osa kemiallisen reaktion lähtöaineiden massasta päätyy haluttuun tuotteeseen eikä sivutuotteina syntyvään jätteeseen. Se vertaa tuotteen suhteellista molekyylimassaa reaktioaineiden suhteellisten molekyylimassojen kertoimilla painotettuun summaan tasapainotetun kemiallisen yhtälön avulla. Tulos ilmoitetaan prosenttiosuutena: atomitaloudellisuutena.

Atomitaloudellisuuden kaava

Atomitaloudellisuus lasketaan seuraavasti:

$A = \frac{M_p}{M_r} \times 100$

jossa A on atomitaloudellisuus prosentteina, $M_p$ halutun tuotteen suhteellinen molekyylimassa ja $M_r$ kaikkien reaktioaineiden suhteellisten molekyylimassojen summa.

Kaavassa käytetään tasapainotetun yhtälön kertoimia. Kunkin reaktioaineen suhteellinen molekyylimassa kerrotaan sen kertoimella ennen tulosten yhteenlaskua, ja tuotteen suhteellinen molekyylimassa kerrotaan sen omalla kertoimella.

Kemisti Barry M. Trost otti atomitaloudellisuuden käyttöön 1991 keinona arvioida reaktion suunnittelun tehokkuutta erillään siitä, kuinka hyvin reaktio käytännössä toimii.

Atomitaloudellisuuden laskeminen

1. Kirjoita reaktion tasapainotettu kemiallinen yhtälö.
2. Selvitä halutun tuotteen suhteellinen molekyylimassa ja kerro se yhtälössä olevalla kertoimella.
3. Laske yhteen kaikkien reaktioaineiden suhteelliset molekyylimassat sen jälkeen, kun kukin on kerrottu omalla kertoimellaan.
4. Jaa tuotteen massa reaktioaineiden kokonaismassalla ja kerro tulos luvulla 100.

Kertoimet kirjoitetaan kaavan eteen samalla tavalla kuin ne esiintyvät yhtälössä: 2H2O tarkoittaa kahta veden kaavayksikköä. Ilman kerrointa kirjoitettu kaava kuvaa eri, tasapainottamatonta yhtälöä ja antaa eri tuloksen.

Katalyytit ja liuottimet jätetään pois tästä laskennasta. Katalyytti edistää reaktion tapahtumista mutta ei kulu siinä, joten sitä ei lasketa reaktioaineeksi. Liuottimista ei yleensä myöskään tule osa tuotetta.

vety ja happi

Tarkastellaan veden valmistuksen tasapainotettua yhtälöä:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Kun vedyn atomimassa on H = 1,008 ja hapen O = 15,999 ja kaikki massat ilmoitetaan grammoina moolia kohti (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• reaktioaineiden kokonaismassa = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Atomitaloudellisuus $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Kaikki reaktioaineiden atomit päätyvät tuotteeseen, joten atomitaloudellisuus on 100 %. Tämä on odotettavaa oikein tasapainotetulta yhtälöltä, jossa on vain yksi tuote: massaa ei voi syntyä, joten tuotteen massa ei voi koskaan ylittää sen muodostaneiden reaktioaineiden yhteenlaskettua massaa. Jos laskennan tulokseksi saadaan yli 100 %, syötetty yhtälö ei ole oikein tasapainotettu.

Saman reaktion kirjoittaminen ilman tasapainotusta muodossa H₂ + O₂ → H₂O ei kuvaa todellista reaktiota ja antaa erilaisen, merkityksettömän luvun: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. Siksi yhtälö on tasapainotettava ensin.

aspiriinin synteesi

Aspiriinia valmistetaan salisyylihaposta ja etikkahappoanhydridistä:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• salisyylihappo (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• etikkahappoanhydridi (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• reaktioaineiden kokonaismassa: 240,21 g/mol
• aspiriini (C₉H₈O₄, haluttu tuote): 180,16 g/mol

Atomitaloudellisuus $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Jäljelle jäävä 25 % massasta poistuu reaktiosta etikkahappona, joka on sivutuote. Teollisessa tuotannossa tämä etikkahappo otetaan yleensä talteen ja käytetään uudelleen, mikä vähentää hävikkiä.

Tuloksen tulkitseminen

• 90–100%: suurin osa reaktioaineiden atomeista päätyy tuotteeseen. Tyypillistä additioreaktioille, joissa mitään ei jää yli.
• 70–90%: hyvä tehokkuus, tavallista monissa katalyyttisissä reaktioissa.
• 50–70%: kohtalainen. Substituutioreaktiot, joissa lähtevä ryhmä vapautuu jätteenä, sijoittuvat usein tälle alueelle.
• Alle 50 %: suurin osa reaktioaineiden massasta muuttuu tuotteiden sijaan jätteeksi.

Nämä vaihteluvälit ovat vain suuntaa-antavia. Lääkeaineen synteesin monimutkainen välituote, jolle ei ole saatavilla puhtaampaa reittiä, voidaan katsoa hyväksyttäväksi arvolla 65 %, kun taas yksinkertainen bulkkikemikaali, jolle on halvempia vaihtoehtoja, ei olisi.

Mitä atomitaloudellisuus ei mittaa

Atomitaloudellisuus huomioi vain tasapainotetussa yhtälössä esitetyt reaktioaineet ja tuotteen. Liuottimet, katalyytit ja reaktion toteuttamiseen tarvittava energia jäävät sen ulkopuolelle. Reaktion atomitaloudellisuus voi olla suuri, vaikka siinä käytettäisiin paljon liuotinta tai tarvittaisiin äärimmäinen lämpötila tai paine. Kokonaiskuvan saamiseksi kemistit yhdistävät atomitaloudellisuuden muihin mittareihin, kuten E-tekijään (jätteen massan suhde tuotteen massaan) ja prosessin massaintensiteettiin (käytetyn kokonaismassan suhde tuotteen massaan).

Atomitaloudellisuuden historia

Barry M. Trost, joka työskenteli tuolloin Wisconsinin yliopistossa ja myöhemmin Stanfordin yliopistossa, esitteli atomitaloudellisuuden käsitteen 1991 julkaistussa Science-lehden artikkelissa, jonka otsikko oli ”The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency”. Ennen tätä kemistit arvioivat reaktiota pääasiassa saannon perusteella: kuinka lähelle saadun tuotteen määrä pääsi teoreettista enimmäismäärää. Trostin ajatus toi esiin toisen kysymyksen. Vaikka saanto olisi suuri, kuinka suuri osa reaktioaineiden massasta päätyy tuotteen sijaan sivutuotteiksi?

Vuonna 1998 atomitaloudellisuudesta tuli vihreän kemian kahdestoista periaate. Paul Anastas ja John Warner esittivät nämä periaatteet kirjassaan Green Chemistry: Theory and Practice. Sen jälkeen atomitaloudellisuudesta on tullut kemian kursseilla opetettava vakiomittari, josta raportoidaan monissa uusia synteesimenetelmiä käsittelevissä tutkimusartikkeleissa.

Usein kysyttyä

Mitä atomitaloudellisuus tarkoittaa?

Atomitaloudellisuus on se prosenttiosuus kemiallisen reaktion reaktioaineiden massasta, joka päätyy haluttuun tuotteeseen. Se saadaan jakamalla tuotteen suhteellinen molekyylimassa reaktioaineiden suhteellisten molekyylimassojen summalla ja kertomalla tulos luvulla 100.

Miten atomitaloudellisuus eroaa saannosta?

Saanto mittaa sitä, kuinka paljon tuote reaktiossa todella syntyy verrattuna käytetyn lähtöaineen määrän perusteella laskettuun teoreettiseen enimmäismäärään. Atomitaloudellisuus mittaa eri asiaa: kuinka suuri osa reaktioaineiden massasta voi reaktion kemian perusteella ylipäätään päätyä tuotteeseen. Reaktiolla voi samanaikaisesti olla suuri saanto ja pieni atomitaloudellisuus, jos tuotteen ohella syntyy paljon sivutuotteiden massaa.

Voiko atomitaloudellisuus olla 100 %?

Kyllä. Additioreaktiot, joissa reaktioainemolekyylit yhdistyvät vapauttamatta sivutuotteita, saavuttavat 100 % atomitaloudellisuuden. Myös uudelleenjärjestymisreaktioissa, joissa molekyylin atomit järjestäytyvät uudelleen, voidaan saavuttaa 100 %. Reaktio, jonka atomitaloudellisuus on 100 %, voi silti olla kokonaisuutena huono valinta, jos sen saanto on pieni tai reaktioaineet vaarallisia.

Sisältyvätkö liuottimet ja katalyytit atomitaloudellisuuteen?

Eivät. Katalyytit eivät kulu reaktion aikana, joten niitä ei lasketa reaktioaineiksi. Liuottimia ei yleensä myöskään lasketa mukaan, ellei osa liuottimesta liity tuotteeseen. Reaktiolla voi siis olla suuri atomitaloudellisuus, vaikka siinä käytettäisiin suuria määriä liuotinta.

Mikä on hyvä atomitaloudellisuus?

Yli 90 % katsotaan erinomaiseksi, 70–90% hyväksi, ja alle 50 % viittaa siihen, että suurin osa reaktioaineiden massasta menee hukkaan. Hyväksyttävä arvo riippuu reaktiosta: monimutkainen tuote, jolle ei ole saatavilla parempaa reittiä, voi oikeuttaa pienempään atomitaloudellisuuteen kuin yksinkertainen, suurina määrinä valmistettava kemikaali.

Miten tasapainotetun yhtälön kertoimia käytetään laskennassa?

Jokaiselle reaktioaineelle ja tuotteelle on käytettävä tasapainotetun yhtälön mukaista kerrointa. Yhtälössä 2H₂ + O₂ → 2H₂O reaktioaineiden massa lasketaan muodossa 2 × (H₂:n massa) plus 1 × (O₂:n massa), ja tuotteen massa muodossa 2 × (H₂O:n massa). Kertoimien sivuuttaminen tai tasapainottamattoman yhtälön käyttäminen antaa luvun, joka ei kuvaa todellista reaktiota.

Lähteet

1. Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
3. Sheldon, R. A. (2017). The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chemistry, 19(1), 18–43.